装配式综合管廊张拉力损失试验与控制研究

杜 昕

(中铁十四局集团房桥有限公司 北京 102400)

1 前言

在“大力推进新型城镇化进程”以及“加快智慧城市发展”等国家政策的推动下，地下管线、管井作为发展过程中首先要解决的基础性配套设施，综合管廊作为智慧城市建设中重要的工程载体[1]，在新城镇建设中日益发挥其重要作用。为解决城镇扩张建设过程中带来的地下管线配置不足及大雨内涝、管线爆炸造成路面塌陷现象时常发生，对城市居民安全和运行秩序造成严重影响等问题，国家公布了《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》[2]，对加快地下综合管廊建设、推进发展速度、有效保障城镇市政管线安全运营、加大城市抗灾减灾能力、美化城市环境具有重要意义[3－4]。综合管廊作为智能化基础设施，在政府扶持下，越来越多地应用在城市基础设施建设中。

2 综合管廊及管廊拼装

(1)综合管廊概述

综合管廊是建设在城镇地下，可以布置两类及以上市政管线的建筑物及附属设施。以钢筋混凝土结构为主，结构类型可分为混凝土现浇综合管廊和混凝土预制拼装综合管廊两种形式[5]。

预制拼装综合管廊又称为装配式综合管廊，在工厂内进行预制管廊生产所需混凝土浇筑、振捣等工序，成品运输至施工现场后以机械化方式吊装到设计位置进行拼装成型[6]，实现标准化、工厂化、批量化施工。生产过程中提高机械化、自动化程度，降低人为因素影响，提高了产品品质、加快现场施工速度、减少场地占用时间，并有利于施工现场环保及绿色施工的实现。

(2)管廊拼装及影响因素

地下工程成功的关键在于承载力、抗变形能力以及防水性能。其中防水性能受现场施工影响最大，已成为制约管廊发展的首要因素。装配式综合管廊工程防水性能的实现，一方面依靠管廊主体结构自防水，在混凝土配合比设计阶段通过合理进行材料及用量的调节，以及拌和、灌注施工过程中对混凝土密实度的控制，达到提高混凝土抗渗性能的目的[3]；另一方面依靠预制管廊结构拼装施工质量。拼装施工质量与管廊结构整体安全以及后期运行维护都有着密切的联系，所以预制拼装防水效果要求高、施工精度要求高，对拼装施工要求同样高[7]。

预制管廊的拼接目前主要采用纵向高强度钢筋或钢绞线进行预应力纵向加压，利用临时预应力张拉控制拼缝宽度，锁定预制管廊的初始定位，待张拉区间节段吊装完毕后，进行永久张拉力的施加。张拉操作在拼装过程中起着关键作用，张拉力损失计算不足会导致管廊拼装应力不足，最终将直接导致拼接处防水构造的失效；而张拉力损失计入过大则会在管廊结构上加入过高的预压力，对结构造成不利影响。最终施加在预应力综合管廊结构上的预应力值为扣除各项预应力损失后的预应力钢筋的张拉控制应力值，即有效预应力张拉值[8]。

3 管廊拼装张拉力损失原因分析

装配式综合管廊拼装施工，预应力张拉作业可分为临时预应力张拉作业和永久预应力张拉作业。永久张拉是在临时张拉的基础上进行施加，张拉环境没有改变，临时张拉时摩阻损失即可反映张拉力损失的影响。临时张拉可采用在管廊结构上设置临时张拉装置，布置精轧螺纹钢筋施加预应力；也可采用管廊上永久张拉使用的钢绞线穿孔进行张拉。临时预应力张拉作业主要作用是在于缩小拼装节段与固定节段之间的间距，并对拼装节段的姿态进行调整，利用张拉作业对拼装管廊进行临时固定并进行防水工程的施工作业。因此施工过程中，张拉力的施加将极大地影响到防水施工的有效性。

与桥梁预应力张拉类似，钢绞线或钢筋的预应力损失与预应力管道的摩擦阻力损失、预应力管道材料特性、预应力钢筋布束以及张拉作业工艺等有关，相差较大，最大可达45%[9]。但此类应力损失可通过单块成品张拉测试，或制作测试试件进行测量。因拼装时的滑移摩擦阻力需要进行单独测量，本次仅对拼装摩阻试验进行研究。

4 管廊拼装摩阻试验

4.1 试验背景及试验目的

试验依托长沙市湘府路及北京新机场线试验管廊工程，对试制的综合管廊分别进行拼装滑移摩阻试验。

(1)长沙市湘府路综合管廊为三舱结构，长7.9 m、宽2 m、高3 m。每节综合管廊混凝土方量为15 m3，混凝土设计强度等级为C40，每节综合管廊重40 t。结构立面见图1。

图1 长沙湘府路综合管廊立面(单位：mm)

(2)北京新机场线试验综合管廊为双舱结构，长7.45 m、宽2 m、高3.8 m，设计混凝土的强度等级为C45。每节混凝土方量为17.9 m3，每节综合管廊重45 t。结构立面见图2。

图2 北京新机场线试验综合管廊立面(单位：mm)

通过进行两节管廊临时张拉拼装试验，测量施工时管廊与地面滑动摩擦力。摩阻测试的主要目的一是可以检验设计所取计算参数是否正确，防止计算计入的预应力损失偏小，给预应力结构带来安全隐患；二是通过大量现场测试，在统计的基础上，为日后的施工估算提供科学依据。

4.2 试验原理及试验方法

4.2.1 试验原理

装配式综合管廊构件与滑动层间的摩擦符合Amonton定律，摩擦系数可按式(1)进行计算:

式中，F为静摩擦力(kN)；f为静摩擦系数；W为竖向荷载(kN)[10－11]。

按照该原理，进行匀速滑动时的张拉力测量即可计算出摩擦系数。

4.2.2 试验方法

(1)采用C35混凝土浇筑匹配管廊尺寸的水平拼装台座，在适当位置预埋地锚。平台表面抹面时需严格保证质量，确保其平整度。

(2)准备两节已经达到强度的预制管廊，先将其中一节管廊吊装至预定位置，利用地锚等装置将第一节管廊固定，避免管廊在张拉过程中发生滑移。

(3)在拼装台座的第二节管廊位置范围内，均匀撒上5 mm中砂作为滑动层；将第二节管廊吊装至距离第一节管廊500 mm处。

(4)将试验所需设备及工具按照试验方案调试完毕(见图3及表1)。

图3 试验设备安装示意

表1 试验材料及设备明细

(5)用3台千斤顶同时沿管廊纵向施压，当距第一块管廊将近10 mm时，沿横向调节管廊，使两块管廊轴线重合。

(6)采用千斤顶沿纵向缓慢施压，使两块管廊准确对位，中线对位误差为±1 mm。在管廊对位的过程中，记录管廊匀速缓慢移动时所需千斤顶的合力值，作为管廊在施加预应力时的摩阻力来计算预应力的附加值。

4.3 试验结果分析

(1)湘府路综合管廊试验数据

在试验过程中，当管廊底部的1～3号千斤顶张拉至106 kN、57.5 kN、64.4 kN时，管廊匀速移动。计算得出摩擦系数为:

(2)新机场线综合管廊试验数据

在长沙湘府路综合管廊试验基础上，为了避免试验结果误差，试验过程中分别进行了五次滑移摩阻试验，并记录了五组数据，见表2及图4。

表2 新机场线综合管廊试验数据 kN

图4 试验数据

对匀速施加的合拉力取平均值，得到F＝274.72 kN，计算得出摩擦系数为:

f＝F÷W＝274.72÷(45×10)＝0.610 5

(3)结果分析

根据文献试验数据，5 mm厚的中砂摩擦系数约为0.45[11]。因此，得出的预制混凝土管廊与铺设砂层的混凝土平台间的摩擦因数在0.6左右较为合理。

5 摩擦阻力控制措施

通过张拉过程中砂层地面与管廊之间的摩阻试验，实测张拉过程中摩擦系数在0.6左右。本项试验结果可为张拉计算时预应力损失计算提供依据，在临时张拉和永久预应力张拉施工时提供数据支持。

因砂层地面摩擦系数较大，在实际拼装张拉过程中应采取有效措施，在保证管廊拼装正常进行的前提下对承载面进行润滑处理，降低地面摩擦力；也可采用有效措施进行悬空拼装，永久张拉作业结束后对管廊和垫层之间的间隙进行后期灌浆处理，应控制间隙灌浆的密实度[12]。

6 结束语

装配式综合管廊受其造价和施工难度的影响，在我国管廊施工中的应用还处于起步阶段，随着装配式建筑在国内建筑市场的大规模推广应用，针对管廊施工的研究也将越来越完善。本文通过分析管廊拼装过程及其影响因素，找出管廊拼装时的张拉力损失原因即拼装时的滑移摩擦阻力，设计出滑移摩擦阻力的试验方法，并对试验结果进行对比分析和验证，提出控制摩擦阻力的有效措施，为装配式综合管廊的应用提供理论依据。